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Fibra de carbono: Usos y aplicaciones como alternativa en la nueva industria aeroespacial 7 de marzo de 2021

Universidad de Guadalajara Centro universitario de ciencias exactas e ingeniería Ingeniería química Ciencia e ingeniería de materiales

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1. Fibra de Carbono El carbono tiene una serie de formas crista- y no grafitizables, dependiendo de las condiciolinas o moleculares distintas denominadas aló- nes de preparación y del tipo de materia prima tropos. Estos alótropos de carbono tienen pro- de partida (Tascón, 2007) piedades distintas, que se derivan de su estructuras únicas (Beaumont, Soutis, y Hodzic, 2016). El nombre de fibra de carbono es otorgado porque contiene hilos compuestos de mini filamentos de carbono, con diámetros entre 5 y 10 µm (Theurer, Rodriguez, et al., 2016). Las fibras de carbono propiamente dichas, también conocidas como fibras de carbón (FC), son sólidos que presentan una morfología fibrosa en forma de filamentos, o una trenza de éstos, y con un contenido mínimo en carbono del 92% en peso (Sáenz David Bueno, 2016). Su composición atómica es cercana al grafito. En el grafito los microfilamentos o placas de carbono se colocan ordenadamente unas sobre otras y se entrelazan con fuerzas débiles, por lo que el grafito es blando y muchas veces transparente. En el caso de la fibra de carbono, miles de microfilamentos se apilan de manera desordenada y densa, lo que le da gran resistencia al material (Theurer et al., 2016). Además, las fibras de carbono son policristalinas y, por lo general, se encuentran en la etapa no grafítica. Poseen un orden bidimensional de largo alcance de átomos de carbono en redes hexagonales planas (Figura 1 )(Park y Lee, 2015). Aunque existen fibras de carbono grafíticas, grafitizables

Figura 1: Estructura del cristal

1.1. Clasificación Las fibras de carbono se han clasificado según la estructura de la fibra y el grado de orientación de los cristalitos: fibras de carbono de módulo ultra alto (UHM), módulo alto (HM), módulo intermedio (IM), alta resistencia a la tracción (HT) y fibras de carbono isotrópicas (Tabla 1) (Park y Lee, 2015). En la siguiente tabla se muestra los tipos de fibra de carbono.

Tabla 1: Clasificación de fibras de carbono Tipo de fibra

Tratamiento termico C ◦

Tipo I

> 2000

Tipo II Tipo III

≈ 1500 < 1000

UHM HM IM HT isotropico

Las fibras de carbono UHM y HM están alta- rizan por un módulo superior a 500 GPa, mienmente grafitizadas y se caracterizan por un alto tras que las fibras de carbono HM se caracterimódulo. Las fibras de carbono UHM se caracte- zan por un módulo superior a 300 GPa y una re-

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lación resistencia-módulo inferior al 1%. Las fibras de carbono IM y HT tienen alta resistencia y bajo módulo debido al tratamiento térmico a temperaturas más bajas. Las fibras de carbono IM tienen un módulo de hasta 300 GPa

1.2. Producción Se obtienen por carbonización (entre 1200ºC Y 1400ºC) (ver Figura 2) de fibras orgánicas naturales o sintéticas, o de fibras procedente de precursores orgánicos Las fibras de carbono se fabrican a partir de fibras sintéticas (fibras precursoras) mediante tratamientos de calentamiento y estiramiento. El procesamiento de fibras de carbono a partir de diferentes precursores requiere diferentes condiciones para obtener productos finales de calidad satisfactoria. Las características esenciales son similares. Las rutas de procesamiento para varios precursores son similares a nivel macro. Además, los materiales precursores de las fibras de carbono son importantes porque la combinación de varias propiedades y comportamientos (mecánicos, físicos, químicos) de las fibras de carbono depende en gran medida de los materiales precursores de partida (Park y Lee, 2015). El tejido de fibras de carbono procede de una mezcla de polímeros, el más utilizado es el PAN (poliacrilonitrilo) que por ser la materia prima se llama precursor y que normalmente se combina con otros polímeros: metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato y cloruro de vinilo, todos derivados del petróleo, que es carbono1 concentrado, proveniente de restos de materia orgánica (fósiles). En particular, el PAN es una fibra de plástico formada por largas cadenas de moléculas de carbono, oxigeno, nitrógeno e hidrógeno en forma de escalera. Cuando se calienta el PAN en correctas condiciones de temperatura, las cadenas de moléculas de carbono se juntan mientras los demás elementos se separan, los átomos de carbono del polímero cambian de distribución y forma una estructura estable de anillos fuertemente unidos que soportan los unos a los otros.

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Mediante un nuevo calentamiento, los anillos se juntan en ‘listones’ de hexágonos de átomos de carbono muy flexibles, a diferencia del grafito, cuya estructura permanece plana. La unión flexible de los listones evita que se deslicen, como pasa en la estructura plana del grafito, lo que resulta en un notable incremento en la resistencia del material. Los hilos de PAN son trefilados en filamentos cinco veces más delgados que un cabello humano y están compuestos entre 92 y 100 por ciento de átomos de carbono, según sean las propiedades que se busquen. En síntesis, la fibra de carbono se produce por la quema controlada del oxígeno, nitrógeno y otros elementos diferentes al carbono de la fibra precursora, dejando solo el carbono en el material. Algunos fabricantes también utilizan precursores de rayón, proveniente de la celulosa y precursores de alquitrán, relativamente más baratos que el PAN pero menos efectivos. Cada tipo de precursor tiene su técnica de procesado pero, en general, todos siguen una misma secuencia, teniendo como base el proceso de fabricación con PAN, se pueden distinguir las siguientes etapas:(Llano Uribe, 2011) Las fibras precursoras se estabilizaron primero y se estiraron en un rango de temperatura de 200 a 400 ° C en el aire mediante un proceso de oxidación (tratamiento termoendurecible), que dependía en gran medida de la química natural del precursor. Luego, en el proceso de carbonización, las fibras estabilizadas se sometieron a altas temperaturas en el rango de 800-1600 ° C en un ambiente sin oxígeno para eliminar las impurezas que no son de carbono, incluidos el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y otros elementos que no son de carbono. Además, las fibras carbonizadas se grafitizaron mediante un proceso de grafitización que implicaba temperaturas más altas de hasta 3000 ° C, que lo que estiraba las fibras y provocaba un alargamiento del 50% al 100%. El estiramiento de las fibras asegura una orientación cristalina preferida, lo que da como resultado que el módulo deseado sea más alto que el de las fibras carbonizadas (Park y Lee, 2015).

Figura 2: Modelo estructural de fibras de carbono durante el proceso de grafitización A continuación se muestran diferentes propiedades de fibras de acuerdo a su contenido de carbono. Tabla 2: Las fibras de carbono se suelen clasificar atendiendo a dos criterios: tipo de precursor y valor de su módulo de elasticidad. Propiedad IM Contenido de carbono ( %) 95 Diámetro(µm) 5-6 Densidad (g t m) 1.8 Resistencia a la tracción (M p a) 3450-6200 Alargamiento a la rotura 1.3 - 2.0 Resistencia eléctrica (µcm) 1450 Conductividad térmica (W /mK ) 20

HM > 99 5 -8 1.9 3450-5520 0.7 -1.0 900 50 80

LM > 97 11 1.9 1380-3100 0.9 1300 -

UHM > 99 10 2.2 2410 0.4 -0.27 220-130 -

2. Aplicaciones de la fibra de carbono en la industria actual aeroespacial El futuro del sector aeroespacial y aeronáutico para las próximas décadas presenta no sólo grandes posibilidades sino también grandes retos (Carboneum, 2019).La propulsión en cohetes es distinta de otras formas de acelerar un objeto porque el sistema de aceleración está contenido en su totalidad dentro del objeto (AdAstra, 2020).Para poder impulsar esas grandes masas es necesario potentes motores, por lo tanto cada gramo cuenta dentro del diseño de las nuevas generaciones de lanzadores espaciales, si se logra reducir el peso, se logra reducir el costo de lanzamiento y producción de manera significativa esto conlleva a acceder al espacio a precios menores con respecto de años atrás. 4

La fibra de carbono es un elemento que puede aportar con el refuerzo a tensión, siendo de alta resistencia, de fácil colocación y además con una capacidad mayor inclusive que el mismo acero para resistir esfuerzos tensionantes (Theurer et al., 2016)

2.1. Tejidos La fibra de carbono se comercializa en forma de tela con diferentes espesores. Sus características principales son las siguientes: 1. Elevada resistencia a la tensión y compresión.

2. Elevado precio. 3. Muy liviano y con una alta relación resitencia/peso. 4. Estable ante ataque de agentes externos. 5. Elevado módulo de elasticidad. Se presentan en tres principales tipos de tejidos: Estas fibras se presentan en distintos arreglos ( Ver Figura 3) 1. Tejido plano :Esta construcción proporciona una tela reforzada que es ampliamente usada en aplicaciones generales y

[(a) Tejido plano]

garantiza laminados de buen espesor.( Figura 3 (a)) 2. Tejido cruzado Estos se marcan más fácilmente que los tejidos planos y son fácilmente humedecidos para que se adhieran a la resina.( Figura 3 (b)) 3. Tejido satinado un lado del tejido se construye principalmente con fibras longitudinales, y el otro lado, con transversales. Tiene un excelente acabado superficial ( Figura 3 (c))

[(b) Tejido cruzado]

[(c) Tejido

satinado] Figura 3: Tipos de tejidos primera etapa del lanzador VEGA (Vettore Europeo di Generazione Avanzata)), y serán los proEn el caso particular de la fibra de carbono, pulsores laterales del futuro lanzador súper pebásicamente se combina un tejido de hilos de sado Ariane 6, la agencia espacial europea (ESA) carbono (refuerzo), el cual aporta flexibilidad y apuesta por carcasa de fibra de carbono. resistencia, con una resina termoestable (matriz), comúnmente de tipo epoxi, que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material; por su parte el agente de curado ayuda a convertir la resina en un plástico duro. Estas estructuras combinadas son usadas en algunas partes de diversos lanzadores espaciales, como el motor de combustible solido P12Oc ( ver Figura 4) que esta hecho base de un compuesto de fibra de carbono para Figura 4: Carcasa motor P120c desarrollado por obtener una sola pieza ligera, rígida y resisten- la empresa AVIO te (ESA, 2020). El motor antes mencionado es la

2.2. Usos específicos

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Otro uso en la industria aeroespacial es en el uso de falcon 9 de Spacex en el uso aluminio ligero con refuerzo de fibra de carbono entre las etapas del lanzador "interstage"( ver Figura 5 ) para soportar las enormes vibraciones (Guide, 2020) es un excelente alternativa por su bajo peso y alto modulo, por ese motivo se utilizan fibras con un porcentaje de carbono mayor al 95%. Ademas tambein se utiliza fibra de carbono junto con otras materiales para la fabricación de las cofias del falcon 9 que son las que protege la carga útil durante el lanzamiento y el ascenso a órbita contra las presiones dinámicas y las altas temperaturas provocadas por la alta velocidad con que el cohete se desplaza por la atmósfera.

Figura 5: Falcon 9

Referencias AdAstra.

(2020).

Propulsión espacial.

Descargado de http://www.adastrarocket.

com/aarc/es/PropulsionE sp aci al Beaumont, P. W., Soutis, C., y Hodzic, A. (2016). The structural integrity of carbon fiber composites: fifty years of progress and achievement of the science, development, and applications. Springer. Carboneum. (2019). Industria aeroespacial y fibra de carbono. Descargado de

https://www.carboneum.com/es/aplicaciones-fibra-carbono/industria-aeroespacial ESA. (2020). Éxito en el último encendido en caliente del motor p120c para ariane 6. Descargado de https://www.esa.int/Space-in-Member

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-States/Spain/Exito-en-elu-ltimo-encendido-en-caliente del-motor-P120C-para-Ariane-6 Guide, F. U. (2020). Spacex, august 2020. Accessed on:05.12.2020, 25. Llano Uribe, C. (2011). Fibra de carbono. presente y futuro de un material revolucionario. Revista metal actual. Park, S.-J., y Lee, S.-Y. (2015). History and structure of carbon fibers. En Carbon fibers (pp. 1–30). Springer. Sáenz David Bueno, M. D. B. (2016). La fibra de carbono. Ingeniería, 20(1), 57–62. Tascón, J. M. (2007). Materiales de carbono: estructuras y formas. Óptica pura y aplicada, 40(2), 149–159. Theurer, M. M., Rodriguez, J., y cols. (2016). Las fibras de carbono como una alternativa para reforzamiento de estructuras. Ingeniería, 20(1), 57–62.

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